Chapitre 9 : Vannes de régulation du débit

L'orifice

Un orifice est une ouverture relativement petite dans un chemin d'écoulement de fluide. L'écoulement à travers un orifice dépend de plusieurs facteurs, dont les trois principaux sont :

1. Taille de l'Orifice
2. La différence de pression aux bornes de l'orifice
3. Température du fluide

L'effet de la taille de l'orifice sur l'écoulement

La taille de l'orifice régule l'écoulement qui le traverse. Un exemple courant dans la vie quotidienne est la buse d'un tuyau d'arrosage : si l'ouverture de la buse est petite, l'eau sort sous forme d'un fin brouillard ou d'une pulvérisation ; si l'ouverture est plus grande, elle forme un jet puissant. Dans les deux cas, la buse du tuyau d'arrosage agit comme un orifice qui limite la direction de l'écoulement — l'écoulement à travers l'orifice est déterminé par la dimension de l'ouverture.

Figure 9-1 : Valve de réglage du débit dans un circuit. Cette valve réduit le débit vers le vérin. Le débit excédentaire de la pompe s'évacue par la vanne de sécurité. L'écoulement restreint se transforme en énergie potentielle (vitesse) à l'orifice.

Orifice fixe

Un orifice fixe possède une ouverture dont la taille ne peut pas être ajustée. Les exemples les plus courants dans la technologie hydraulique sont le trou percé dans un bouchon de tuyau ou dans une valve de non-retour, ou encore la vanne de régulation de débit préréglée en usine.

Orifice variable

La plupart du temps, un orifice variable est requis plutôt qu’un orifice fixe, car il s’adapte mieux aux besoins. Les vannes à clapet, les vannes à boule et les vannes à aiguille constituent tous des exemples d’orifices variables.

Vanne à guillotine

Une vanne à clapet présente un passage d’écoulement en ligne droite. La taille de l’orifice est modifiée en tournant la poignée afin d’ouvrir ou de fermer le clapet situé dans le trajet d’écoulement. Bien que les vannes à clapet ne soient pas conçues pour la régulation du débit, elles peuvent, dans certains systèmes de mesure grossière du débit, servir de dispositifs de restriction du débit.

Ventilateur à bille

Les passages d’écoulement des vannes à boule ne sont pas rectilignes : ils effectuent un changement de direction de 90°. L’orifice est constitué du siège et du tampon conique ou de la boule mobile situés sur le passage tournant. La taille de l’ouverture de l’orifice est ajustée en modifiant la position de la boule mobile.

Soupape à Pointe

Le débit à travers les robinets à aiguille effectue également un virage à 90°, puis traverse un orifice. Cet orifice est constitué de l’espace entre la tige de vanne à extrémité conique et le siège de la vanne. La taille de l’orifice est modifiée en ajustant la position de la face conique par rapport au siège de la vanne. Comme les filetages de réglage sur la tige de la vanne sont à pas fin et que la pointe est conique, la taille de cet orifice varie progressivement. Dans les systèmes hydrauliques, le robinet à aiguille est l’orifice variable le plus couramment utilisé.

Figure 9-2 : Types d’orifices variables. Le robinet à aiguille (en bas) est le plus répandu en hydraulique — sa pointe conique et ses filetages fins permettent un réglage très précis et progressif du débit.

Application d’un robinet à aiguille dans un circuit

Le circuit illustré utilise une pompe à déplacement positif de 5 gpm (18,95 L/min), une valve de sécurité, une valve directionnelle, un orifice variable (robinet à aiguille) et un vérin hydraulique dont la surface du piston est de 3 in² (19,35 cm²). Si la valve de sécurité est réglée à 500 psi (34,48 bar) et que la pompe débite 5 gpm :

Lorsque la vanne à aiguille limite le débit à seulement 2 gpm (7,58 L/min), la vitesse de la tige = 2 × 19,25 ÷ 3 = 13 pi/min (3,96 m/min). La valve de sécurité limite la pression du système à 500 psi (34,48 bar) en dérivant le débit restant de 3 gpm (11,37 L/min) vers le réservoir.

Ouverture de l’orifice de la vanne à aiguille

Tourner la vanne à aiguille vers l’extérieur augmente l’orifice — davantage de débit passe vers le vérin, jusqu’à la limite de pression de la valve de sécurité. La vitesse de la tige augmente.

Fermeture de l’orifice de la vanne à aiguille

Tourner la vanne à aiguille vers l’intérieur réduit l’orifice. Moins de débit pénètre dans le vérin, donc la vitesse de la tige diminue.

Effet de la différence de pression sur le débit

Le débit à travers un orifice dépend de la différence de pression. Comme la pression représente une énergie potentielle dans un système hydraulique, plus la différence de pression aux bornes d’un orifice est élevée, plus le débit qui le traverse est important.

Exemple quotidien — matelas pneumatique

Après une journée à la plage ou sur un site de camping, vous retirez le bouchon d’un matelas pneumatique gonflé et laissez l’air s’échapper librement. Comme la différence de pression entre l’intérieur et l’extérieur est faible, le matelas se dégonfle lentement. Serrez fermement le matelas — la pression interne augmente par rapport à la pression atmosphérique, la différence de pression s’accroît et l’air s’échappe plus rapidement.

Serrez doucement un tube de dentifrice — une petite quantité en sort. Serrez fortement — davantage de dentifrice est expulsé et peut tomber sur le sol. Si l’on marche sur le tube de dentifrice, la différence de pression entre l’intérieur du tube et la pression atmosphérique est plus importante que lorsqu’il est comprimé à la main, ce qui provoque une sortie plus rapide et plus abondante de dentifrice.

Effet de la différence de pression sur le débit à travers une vanne à aiguille dans un circuit

Dans le circuit représenté, la vanne d'étranglement limite le débit de la pompe de 5 gpm (18,95 L/min) à 3 gpm (11,37 L/min). Réglage de la vanne de sécurité : 500 psi (34,48 bar). Résistance de charge : 200 psi (14 bar). La pression d'entrée de la vanne d'étranglement est égale au réglage de la vanne de sécurité : 500 psi (34,48 bar). Sur ces 500 psi (34,48 bar), 200 psi (14 bar) sont nécessaires pour vaincre la résistance de charge ; la différence de pression restante de 300 psi (21 bar) fait circuler 3 gpm (11,3 L/min) à travers la vanne d'étranglement, produisant une vitesse de tige de 19,25 pi/min (5,87 m/min). Les 2 gpm restants (7,58 L/min) s'écoulent par la vanne de sécurité vers le réservoir.

Augmentation du réglage de la vanne de sécurité

En maintenant inchangées la pression de charge et le réglage de la vanne d'étranglement, l'augmentation du réglage de la vanne de sécurité à 600 psi (41,38 bar) fait passer la pression d'entrée de la vanne d'étranglement à 600 psi (41,38 bar). Sur cette valeur, 200 psi (14 bar) servent à vaincre la charge ; la différence de pression restante de 400 psi (28 bar) fait désormais circuler 4 gpm (15 L/min) à travers la vanne d'étranglement. La vitesse de tige augmente alors à 26 pi/min (7,92 m/min).

La pression de charge augmente

Réinitialiser la vanne de décharge à 500 psi (34,48 bar) sans modifier la vanne d’aiguille. Augmentation de la charge : la pression de charge augmente jusqu’à 400 psi (28 bar). La pression à l’entrée de la vanne d’aiguille reste à 500 psi (34,48 bar), mais la chute de pression à travers la vanne d’aiguille n’est désormais plus que de 100 psi (6,9 bar), ce qui ne permet qu’un débit de 1 gpm (3,79 l/min). La vitesse de la tige diminue à 6 pi/min (30 mm/s). Le débit restant de 4 gpm (15 l/min) est évacué par la vanne de décharge.

Ceci montre que le débit à travers une vanne d’aiguille varie en cas de toute variation de pression, qu’elle se produise du côté amont ou aval de l’orifice. Pour régler précisément le débit à travers une vanne d’aiguille, ces variations de pression doivent être annulées ou compensées.

Vanne de réglage de vitesse (vanne de régulation de débit à compensation de pression)

À partir des exemples ci-dessus, toute variation de pression sur l’un ou l’autre côté de l’orifice affecte le débit à travers la vanne à aiguille, modifiant ainsi la vitesse de l'actionneur. Pour régler précisément le débit à travers un orifice, quelles que soient les variations de pression, ces dernières doivent être compensées. Une vanne à aiguille est une vanne de réglage du débit non compensée : elle constitue un bon dispositif de mesure du débit tant que la différence de pression demeure constante et que l’aiguille est correctement centrée. Pour un réglage plus précis du débit, il convient d’utiliser une vanne de réglage du débit compensée en pression (vanne de réglage de vitesse). Il s’agit d’un régulateur de débit qui compense les variations de pression en amont et en aval de l’orifice.

Les vannes de réglage de vitesse (vannes de réglage du débit compensées en pression) peuvent être classées en type entrée et type dérivation.

Construction d’une vanne de réglage de vitesse de type entrée

La vanne de réglage du débit compensée en pression de type entrée comprend un corps de vanne doté de raccords d’entrée et de sortie, une vanne à aiguille, un tiroir compensateur et un ressort de précharge.

Fonctionnement du type entrée

Pour comprendre le fonctionnement du type à débit entrant, nous analysons son mode de fonctionnement étape par étape. Lorsque la tige de compensation est complètement déplacée vers le côté A, toute l’huile sous pression entrante atteint l’orifice de la vanne à aiguille. Dès que la tige de compensation se déplace légèrement vers le côté B, l’huile sous pression entrante est réduite. Pour maintenir le passage de débit ouvert, la tige de compensation est sollicitée par un ressort vers le côté A. La pression à l’entrée de la vanne à aiguille est détectée via un canal de commande interne vers l’extrémité A de la tige de compensation : lorsque la pression augmente au-delà de la force de précharge du ressort, la tige se déplace vers le côté B.

Si l'orifice de la soupape d'aiguille est réglé de manière à ce qu'un débit inférieur au débit total de la pompe le traverse, la pression à l'entrée de la soupape d'aiguille augmente jusqu'à la valeur de tarage de la soupape de sécurité. Lorsque la pression à l'entrée de la soupape d'aiguille dépasse la force exercée par le ressort du tiroir compensateur, ce dernier se déplace vers B, réduisant ainsi le débit entrant. Lorsque le débit traversant l'orifice du tiroir compensateur égale le débit de sortie de la pompe, la pression à l'entrée de la soupape d'aiguille se stabilise à la valeur de pression du ressort. Par exemple, avec une valeur de ressort de 100 psi (6,89 bar) et une pression de tarage de la soupape de sécurité de 500 psi (34,48 bar) : la pression à l'entrée est de 500 psi (34,48 bar) ; lorsque l'huile traverse l'orifice du tiroir compensateur, 400 psi (28 bar) se transforment en chaleur, faisant chuter la pression à l'entrée de la soupape d'aiguille à 100 psi (6,89 bar). Cela signifie que, quel que soit le niveau de pression à l'entrée de la vanne de régulation de débit, la pression à l'entrée de la soupape d'aiguille est maintenue à 100 psi (6,89 bar) grâce à l'action du tiroir compensateur.

Figure 9-5 : Valve de contrôle de vitesse à l’entrée (à compensation de pression). Le tiroir compensateur maintient constante la chute de pression aux bornes de la vanne à aiguille, quelles que soient les variations de la pression d’entrée ou de sortie — assurant ainsi un débit précis et constant.

Dans le circuit précédent à vanne à aiguille, la différence de pression aux bornes de l’orifice de la vanne à aiguille ne représente qu’une partie de l’explication — la pression en aval de la vanne à aiguille doit également être compensée. Autrement dit, une différence de pression constante doit être maintenue. Pour y parvenir, la pression en aval de la vanne à aiguille est également acheminée, via un canal de commande, vers la cavité du ressort de précharge du tiroir compensateur. Deux forces agissent désormais sur le côté A du tiroir compensateur : la force du ressort et la pression de l’huile en aval.

Si la force du ressort = 100 psi (6,89 bar), la différence de pression au niveau de la soupape à pointe sera limitée à une valeur supérieure à la pression en aval de 100 psi (6,89 bar). À condition que la soupape de sécurité soit réglée suffisamment haut, la différence de pression au niveau de l’orifice de la soupape à pointe est toujours égale à la valeur de pression exercée par le ressort. Ainsi, la différence de pression qui impose le débit à travers la soupape à pointe reste constante — elle n’est pas affectée par les fluctuations de la pression en amont ou en aval.

Soupape de contrôle de vitesse d’entrée dans un circuit

Dans le circuit, la valve de commande de vitesse en entrée est réglée à 3 gpm (11,37 L/min). La valve de sécurité est réglée à 500 psi (34,48 bar) et la pression de charge est de 200 psi (13,79 bar). La raideur du ressort du tiroir compensateur est équivalente à 100 psi (6,89 bar). La pompe tente de faire circuler l’intégralité des 5 gpm (18,95 L/min) à travers la valve d’aiguille, ce qui entraîne une augmentation de la pression à l’entrée de cette dernière. À 300 psi (21 bar), le tiroir compensateur se déplace et restreint le débit, provoquant ainsi une montée de la pression à l’entrée de la valve de commande de débit jusqu’à la valeur de consigne de la valve de sécurité, soit 500 psi (34,48 bar). Sur ces 500 psi (34,48 bar), 200 psi (13,79 bar) sont nécessaires pour vaincre la charge ; 100 psi (6,89 bar) permettent de faire circuler le fluide à travers la valve d’aiguille ; les 200 psi (13,79 bar) restants sur les 500 psi se dissipent sous forme de chaleur lorsque le fluide traverse l’orifice du tiroir compensateur. Le débit est ici de 3 gpm (11,37 L/min) et la vitesse de la tige est de 19 pi/min (97,83 mm/s).

Augmentation de la pression de charge et de la valeur de consigne de la valve de sécurité

Si la pression de charge augmente jusqu'à 400 psi (27,58 bar) ou si la soupape de sécurité est réajustée à 600 psi (41,38 bar), il subsiste tout de même un débit piloté de 100 psi (6,89 bar) à travers la vanne à aiguille. À condition que la pression de tarage de la soupape de sécurité soit suffisamment élevée pour déplacer le tiroir compensateur, le débit en sortie vers le vérin restera constant à 3 gpm (11,37 L/min).

Construction d’une vanne de réglage de vitesse de type dérivation

La vanne de réglage de vitesse de type dérivation se compose d’un corps de vanne doté de raccords d’entrée, de sortie et de retour, d’une vanne à aiguille, d’un tiroir compensateur et d’un ressort de précharge.

Fonctionnement du type dérivation

Le tiroir compensateur de cette vanne ouvre et ferme un passage de dérivation vers le retour au réservoir. Le tiroir compensateur est maintenu fermé (position basse) par un ressort de précharge. Si la force exercée par ce ressort correspond à 100 psi (6,89 bar), la pression à l’entrée de la vanne à aiguille sera limitée à 100 psi (6,89 bar). Lorsque le débit à travers la vanne est entièrement dirigé vers le réservoir d’huile dans son état initial. En fonctionnement normal, le tiroir compensateur est maintenu à la position fermée par le ressort de précharge.

La pression d'admission de la vanne à aiguille est détectée par un canal de commande interne vers le haut du tiroir compensateur. Lorsque la pression augmente au-delà de la force de précharge du ressort, le tiroir compensateur agit comme une valve de sécurité — ouvrant le canal de dérivation et limitant la pression d'admission de la vanne à aiguille à 100 psi (6,89 bar). La pression d'admission fixe de la vanne à aiguille ne garantit pas un débit constant : si la pression en aval change, la différence de pression aux bornes de l'orifice de la vanne à aiguille varie, et le débit change.

Pour compenser ce phénomène, la pression en aval de la vanne à aiguille est acheminée, via un canal de commande, vers la cavité du ressort de précharge du tiroir compensateur. Le côté A du tiroir compensateur est désormais soumis à deux forces de précharge : la force du ressort et la pression de l'huile en aval. Si la précharge du ressort correspond à 100 psi (6,89 bar), la pression d'admission de la vanne à aiguille sera limitée à 100 psi (6,89 bar) au-dessus de la pression en aval. Tant que la valve de sécurité est réglée suffisamment haut, la différence de pression aux bornes de l'orifice de la vanne à aiguille reste égale à 100 psi (6,89 bar) — constante.

Valve de contrôle de vitesse de type dérivation dans un circuit

Vanne de régulation de vitesse de type dérivation réglée à 3 gpm (11,37 L/min). Pression de décharge : 500 psi (34,48 bar), charge : 200 psi (13,79 bar), ressort = 100 psi (6,89 bar). La pompe tente de faire circuler l’intégralité des 5 gpm (18,95 L/min) à travers la vanne d’aiguille. Le tiroir compensateur ouvre le passage de dérivation, limitant ainsi la pression en amont de la vanne d’aiguille à 300 psi (20,68 bar). Sur ces 300 psi : 200 psi (13,79 bar) servent à vaincre la charge, et 100 psi (6,89 bar) font circuler 3 gpm (11,37 L/min) à travers la vanne d’aiguille. Les 2 gpm restants (7,58 L/min) sont dérivés via l’ouverture du tiroir compensateur directement vers le réservoir.

Figure 9-8 : Circuit de régulation de vitesse de type dérivation. Le tiroir compensateur dérive le débit excédentaire de la pompe directement vers le réservoir, plutôt que de l’envoyer vers la valve de sécurité. Ce système est plus économe en énergie que le type « injection » car le débit excédentaire ne circule pas sous la pression totale du système.

Augmentation de la pression de charge et de la valeur de consigne de la valve de sécurité

Si la pression de charge augmente jusqu'à 400 psi (27,58 bar) ou si la soupape de sécurité est réglée à nouveau à 600 psi (41,38 bar), il subsiste tout de même une pression de 100 psi (6,89 bar) qui pousse le débit à travers la vanne d'aiguille. Tant que la soupape de sécurité est réglée suffisamment haut pour ouvrir la tige compensatrice, le débit vers le vérin reste constant à 3 gpm (11,37 L/min).

Effet de la température sur le débit par orifice

Comme mentionné au début de ce chapitre, les trois principaux facteurs influençant le débit à travers un orifice sont la taille de l’orifice, la différence de pression et la température de l’huile. Lorsque la température de l’huile varie, sa viscosité varie également ; or, lorsque la viscosité de l’huile change, le débit à travers l’orifice change aussi. Pour les orifices fixes ou les robinets à aiguille, les variations de débit induites par la température ne sont généralement pas significatives, car la taille de l’orifice et la différence de pression sont en général importantes par rapport aux effets de la viscosité. Toutefois, pour les applications exigeant un contrôle de débit très précis, les effets de la température doivent être pris en compte. Les valves de réglage de vitesse à admission (meter-in) et celles du type dérivation (bypass) conviennent généralement aux applications hydrauliques industrielles courantes.

Pour les applications nécessitant un contrôle de débit extrêmement précis — quelles que soient les variations de température — on peut utiliser une valve de régulation de débit compensée en température. Ce type de valve compense également les effets de la température.

Formules clés — Chapitre 9